CN102017491B - 无线网络的组播中调节前向纠错的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种方法和装置，包括：通过无线信道从一设备接收信道条件反馈；基于接收到的反馈判断是否能服务该设备；判断前向纠错码率是否足以使所述设备恢复丢失的数据；响应于第二判断动作调节前向纠错码率；和利用前向纠错码率由所述源数据产生前向纠错分组。

Description

无线网络的组播中调节前向纠错的方法和系统

技术领域

本发明总体上涉及无线网络，具体而言，涉及一种通过无线网络有效发送组播数据的自适应前向纠错(FEC)方法和系统。

背景技术

通过无线网络的组播可以将数据(例如视频直播或事先录制的娱乐节目)有效地发送至多个接收器。所述组播的一个实例是通过IEEE802.11无线局域网(WLAN)在热点区域(例如机场)再分配(redistribution)多个电视节目或者定位特定的视频信息。接收器的用户在移动装置上观看喜欢的电视节目，同时还能浏览互联网。其他的应用包括通过无线网络在电影院之外进行电影预览、重放足球比赛的最重要的场景等。此处，所述移动装置包括终端装置、客户装置、移动终端、笔记本电脑、双模智能电话、个人数字计算机等。

无线网络的误码率通常较高。对于组播，无线链路层通常不进行分组丢失重传。在发生误差的情况下，接收器将数据帧丢弃。因此，如果不具备良好的接收条件，不能保证接收器所需稳定性。另外，在视频组播应用中，用于同一视频的多个接收器可能遇到不同的信道条件，并且某个接收器的信道条件可能由于多径衰落(multipath fading)、遮蔽(shadowing)、干扰和移动而在不同时间发生变化。在会话过程中新接收器有可能加入，而某些接收器可能离开，因而接收器的网络拓扑结构(network topology)会改变。因此，需要额外的误差保护机制来为服务区域内的接收器提供满意和可靠的服务质量(quality of service)，同时有效地利用可用无线带宽。为了获得可靠无线组播操作，一个有效的途径是在应用层采用前向纠错(FEC)编码。

在某些已知的系统中，选择固定FEC编码以满足服务区域(servingarea)内具有最差信道条件(即最高分组丢失率)的接收器的目标质量。采用这种方法，在应用层的信息源分组上都采用固定FEC编码(例如固定Reed-Solomon(RS)编码)以产生奇偶分组(parity packet)。所述奇偶分组与信息源分组一起传输并用于恢复丢失的信息源分组。采用上述方法，FEC编码是固定的，并且即使全部接收器都具有良好信道条件也要采用。不必要的FEC奇偶分组引入高开销(overhead)，从而降低了带宽效率。在组播系统中采用了自适应FEC。FEC编码根据单个接收器的信道条件进行调节(adapted)。本发明考虑到了组播应用。相同源的多个接收器有可能在同一时间遇到不同的分组丢失率(packet loss rate)，同一接收器在不同时间也可能遇到不同分组丢失率。在不同时间的不同接收器或者同一接收器的接收质量都不同。另外，接收器可能加入或离开多播组。

本发明希望解决的问题是选择和调节FEC编码参数。设计一种高效的自适应FEC方法将是有利的。为了设计高效的自适应FEC方法，需要解决三个问题：(1)如何估计组播的多个接收器的信道条件；(2)如何提供信道条件反馈；(3)如何基于多个接收器的信道状态调节FEC率。

发明内容

本申请中所述组播是指一种数据(包括但不局限于音频和视频数据)传输。即，数据可以是任何类型。为了便于举例说明，本文中使用视频数据。另外，本文中单播(unicast)是指一对一的数据传输。即，数据从单一源传输至单一接收器。广播(braodcast)是一对全体的数据传输。即，数据传输至能够接收数据传输的全体接收器。组播(multicast)是一对多的数据传输。组播数据传输是能够接收数据传输的全体接收器的子集，其中所述子集可以是能够接收数据传输的全体接收器。即，本文所乘组播包括广播，因此更广义。

本发明描述了一种自适应前向纠错方法和系统，用于高效并可靠地在无线网络上发送组播数据。在无线组播应用中，数据通过无线信道从接入点/基站传输至多个接收器。此处，“/”表示同一或类似元件或结构的另外名称。即，“/”可以理解为“或”。本发明通过考虑接收器拓扑结构改变、多个接收器变化的信道条件和应用要求自适应地改变用于系统性能优化的FEC编码的容量和开销。接收器被分类为不同类别。通过仔细设计FEC自适应方案，为不同类别的接收器提供不同等级的服务质量(QoS)。本发明说明了一种最优跨层(cross-layer)设计策略，其选择物理层操作模式、分组大小和应用层FEC以保证特定目标接收器的稳定性要求，同时使总体系统处理能力最大化。另外，在具有不同优先级的不同组播组中动态传输额外FEC开销，以增强服务区域中具有变差的信道条件的接收器的组播鲁棒性。额外FEC开销可以基于多个接收器的反馈适配于(adapt to)变化的接收器拓扑结构和无线网络条件。所述自适应FEC系统包括：(1)在每个接收器操作的信道估计方法，用于估计接收信道条件；(2)从多个接收器向数据/媒体/组播服务器发送信道信息的协议；(3)在多播服务器操作的FEC调节方法，其基于多个接收器的信道条件动态地改变FEC码率和传输优先级。

本发明希望解决的问题是选择和调节FEC编码参数。设计一种高效的自适应FEC方法将是有利的。为了设计高效的自适应FEC方法，需要解决三个问题：(1)如何估计组播的多个接收器的信道条件；(2)如何提供信道条件反馈；(3)如何基于多个接收器的信道状态调节FEC率。因此，本发明提供一种方法和系统，用于调节FEC码率并以不同优先级传输信息源和奇偶分组，以最优化系统性能。

本发明描述了一种方法和装置，包括：通过无线信道从一设备接收信道条件反馈；基于接收到的反馈判断是否能服务该设备；判断前向纠错码率是否足以使所述设备恢复丢失的数据；响应于第二判断动作调节前向纠错码率并利用前向纠错码率由所述源数据产生前向纠错分组。

附图说明

结合附图考虑下面的详细说明更容易理解本发明。附图的简要说明如下，其中相似附图标记表示相似元件：

图1是采用本发明的网络的示意图；

图2是根据本发明的自适应前向纠错方法的框图；

图3是不同等级接收器的示意图；

图4A是采用根据本发明的自适应前向纠错编码方法的组播服务器的协议结构的示意图；

图4B是采用根据本发明的自适应前向纠错编码方法的接收器的协议结构的示意图；

图5是根据本发明的自适应前向纠错编码的示意图；

图6是在组播服务器上实施的根据本发明的方法的示例性实施方式的流程图；

图7是在接入点/基站上实施的根据本发明的示例性实施方式的流程图；

图8是在接收器上实施的根据本发明的示例性实施方式的流程图；

图9是根据本发明的自适应前向纠错方法的另一个实施方式的框图，其中采用了交织。

具体实施方式

请参看图1，该图示出了本发明考虑的典型网络系统。移动装置105通过无线接入点/基站110和高速有线接入网络115(例如以太网)连接至组播服务器120(例如视频组播服务器或媒体服务器)和互联网125。视频服务器120通过高速有线接入网络115将一个或多个视频节目组播至无线接入点/基站110。然后无线接入点/基站110将所述视频通过无线链路以组播分配至移动设备105。移动设备的用户可以观看一个或多个视频节目，同时访问互联网。本发明所述自适应前向纠错(FEC)方法和系统可以用于通过无线局域网(WLAN)、3G网络或其他无线网络的视频组播应用。下面将以IEEE802.11 WLAN网络为例对本发明的自适应FEC方法和系统进行说明。另外，本发明独立于传输的数据类型，可以用于任何类型的数据的传输，虽然本发明以视频组播为例对自适应FEC方法和系统进行了说明，但数据类型不局限于音频/视频节目。

组播服务器包括产生数据分组(例如视频分组)流的源数据(例如视频)编码器/打包器、对所述视频分组进行跨分组(cross-packet)FEC编码的FEC编码器以及其他器件。所采用的FEC可以是任何体系的前向纠错编码，例如Reed-Solomon(RS)编码。FEC编码跨分组使用以防止整个分组丢失(擦除)，因为错误分组通常被较低层丢弃。如果在应用层的单个分组内使用FEC编码，则在应用层不能纠正错误分组。例如，将(N，K)RS编码用于K个源分组以形成H＝(N-K)个奇偶分组。FEC码率定义为R＝K/N。

在组播/广播中，由于在相同时间的不同信道条件，相同流的多个接收器可能遇到不同的分组丢失率，而同一接收器在不同时间也可能遇到不同分组丢失率。新接收器可能在组播会话过程中加入，或者某些接收器可能在组播会话过程中退出，因此接收器的拓扑结构变化。本发明说明了一种方法和系统，能够根据网络拓扑结构和多个接收器的改变的信道条件自适应地改变FEC编码的容量和开销，以在无线网络上进行高效和鲁棒性的视频组播。

图2是本发明的自适应前向纠错方法的框图。假定视频流中有K个视频源的块(K可以根据希望的延迟和编码复杂度来确定)，产生并在无线网络上和传输的的FEC奇偶分组的数量H＝(N-K)在H_min and H_max之间调节，其中N是此编码块(coding block)的分组(源分组和奇偶分组)的总数。即，FEC码率R＝K/N＝K/(K+H)在R_max＝K/(K+H_min)和R_min＝K/(K+H_max)之间调节。另外，视频源分组在具有最高优先级的组播组G0中传输。奇偶分组在具有不同优先级的多个组播组(不同IP地址和/或UDP端口)中传输。在H个奇偶分组中，H1个奇偶分组总(与视频源分组相同优先级)在具有最高优先级的组播组G1中传输。只有当某些接收器需要额外FEC(自适应FEC编码)时，产生另外的H2个奇偶分组并在具有较高优先级或中等优先级(低于视频源分组但高于尽力而为型数据通信的优先级)的不同组播组G2中传输。只有当某些接收器需要更多额外FEC时，产生剩余的H3个奇偶分组并在具有低优先级(与尽力而为型数据通信相同的优先级或低于尽力而为型数据通信的优先级)的组播组G3中传输。奇偶分组的总数H等于：

H_min≤H＝H₁+H₂+H₃≤H_max，(N＝K+H₁+H₂+H₃)

另外一个方法是保持编码块的长度N固定，但变化K、H₁、H₂和H₃。本发明还说明了一种确定参数H_min、H₁、H₂、H3和H_max的方法，详细说明在下文。

对于向后兼容，非FEC功能的接收器不接收来自用于FEC奇偶分组的组播组的数据，从而自适应FEC组播系统可以采用固定FEC和非FEC功能的接收器。

图3是不同等级接收器的示意图。无线接入点/基站的覆盖区域(coverage area)基于原始分组丢失率(raw packet loss rate)的信道条件被分为四个区域。被最内圆覆盖的区域内的接收器具有确保型服务(guaranteed service)。下一圆内的接收器具有伪确保型服务。再下一圆内的接收器具有尽力而为型服务(best effort service)，而圆之外的接收器不享有任何服务(它们处于服务区域之外)。原始分组丢失率被定义为FEC解码之前的分组丢失率。因此，将接收器基于其接收信道条件分类为不同等级。确定并调节FEC参数H_min、H₁、H₂、H₃和H_max以提供具有根据残余分组丢失率测量的传输稳定性的不同级别的不同等级的接收器。残余分组丢失率被定义为FEC解码之后的分组丢失率。

对于确保型服务接收器，联合选择接入点/基站的物理层模式、分组大小和应用层FEC码率以使得总处理能力最大化同时保证其传输稳定性。这可以由网络/系统管理员来实现。对于具有伪确保型服务的接收器，本发明的自适应FEC方法基于变化的网络拓扑结构和不同接收器遇到的信道条件动态地调节FEC开销以保证其传输稳定性。对于具有确保型服务的接收器，本发明的自适应FEC方法在具有FEC开销额外带宽时试图以尽力而为方式满足其传输稳定性要求。用于尽力而为服务接收器而增加的额外FEC开销在无线网络上以低优先级传输。如果在无线网络上没有足够带宽，则接入点/基站丢弃所述额外FEC开销。为了保证具有非常差的信道条件的接收器的某种服务质量将会消耗过多的系统资源。相反，不对具有最差信道条件的接收器提供服务，即不基于这些接收器调节FEC码率。

网络/系统管理员首先确定无线接入点/基站的希望覆盖区域(例如，其可能是一座建筑)，其中要确保任何接收器具有小于或等于阈值P_t的平均残余分组丢失率。阈值P_t由应用的需求确定，即对于良好视频质量10^-5是合理的。此区域中的接收器被称为确保型服务(GS)接收器。假定接入点/基站具有固定发射功率S＝S₀，通过试验测量或分析可以获得该区域内的最差平均信道SNRγ₁。请注意信道SNR由于衰退而随时间变化。随时间变化的平均信道SNR用于测量接收器的信道条件。接收器的信道质量取决于距离接入点/基站的距离、地理环境等。然后联合选择接入点/基站的物理层操作模式M、分组大小L和应用层FEC编码参数H_min以保证GS接收器的传输稳定性(即这些接收器的残余分组丢失率P_r小于或等于P_t)并使应用层实际吞吐量最大化。请注意，分组大小应不大于网络允许的最大传输单元(MTU)。上述为约束最优化问题，可以用公式表述如下：

MaxG(M，L，H_min)|_{s＝s0，γ＝γ1}，P_r(M，L，H_min)|_{s＝s0，γ＝γ1}≤P_t并且L≤MTU    (1)

对于某些情况，例如有可能基于MTU和接入点/基站容量确定分组大小和物理层模式。如果这样，选择H_min以确保残余分组丢失率不大于P_t。如果使用了(N，K)RS编码，传输的H＝N-K个奇偶分组提供了相对于N个分组中H个丢失的分组的擦除弹性(erasure resiliency)。如果FEC解码之前的原始分组丢失率为P_e，则H_min满足：

$P_t=1-\underset{d=0}{\overset{H_{\min }}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}K+H_{\min }\\ d\end{array}\right){\left(p_e\right)}^d{(1-P_e)}^{K+H_{\min }-d}---\left(2\right)$

假设K个源分组的块，如果以由公式(1)确定的接入点/基站的物理层模式M和分组大小L传输H_min个奇偶分组，FEC解码之后的残余分组丢失率将小于或等于用于具有信道SNRγ≥γ₁的GS接收器的P_t。相应的FEC码率为：

R_max＝K/(K+H_min)    (3)

上述确定的FEC码率是组播系统使用的最小强度/开销FEC编码。其满足信道SNR大于γ₁或者FEC解码之前原始分组丢失率小于P_e(γ₁)的确保型接收器的传输可靠性要求。但是，具有较差/变差信道条件的接收器无法满足所需稳定性。在本发明中，当接收器具有低于所需的信道SNR(即其信道SNR小于γ₁)，在服务区域，基于其信道条件动态地调节FEC码率R(即纠错性能/开销H，R＝K/(K+H)))以将这些接收器的残余分组丢失率保持为小于目标值P_t。P_t是FEC解码之后的平均残余分组丢失率的阈值。当服务区域内的视频流全部接收器具有大于或等于γ₁的信道SNR时，此视频流的FEC开销保持为最小，即FEC码率等于R_max并且节省的带宽(conserved bandwidth)可以用于其他视频流或者尽力而为型数据通信。

设想J个视频流以组播方式在无线信道上传输并且假设无线信道在应用层的总带宽为B_t。假设流j的信源速率(source rate)是S^j并且FEC码率对于每个流都是R_max(即FEC的开销等于最大值以满足确保型接收器的可靠性要求)。剩余带宽为：

$B_r=B_t-\underset{i=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S^i}{R_{\max }}---\left(4\right)$

如果全部剩余带宽用于为流j提供额外FEC保护，用于流j的FEC码率为：

$R_{\min }^j=S^j/(B_t-\underset{i=1,i\≠j}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S^i}{R_{\max }})---\left(5\right)$

在信道带宽限制下最小FEC码率可以用于流j。相应地最大FEC开销为：

$H_{\max }^j=N-K=\left(K/R_{\min }^j\right)-K---\left(6\right)$

采用此FEC，为了使残余分组丢失率等于目标值P_t，FEC解码之前的流j的原始分组丢失率应小于值P_max。如果采用RS(N，K)编码，则P_max满足：

$P_t=1-\underset{d=0}{\overset{H\max }{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}K+H_{\max }\\ d\end{array}\right){\left(p_{\max }\right)}^d{(1-P_{\max })}^{K+H_{\max }-d}---\left(7\right)$

如果用可用总带宽平等地保护全部J个流，即对全部流采用相同的FEC编码，则FEC码率为：

$R_{\mathrm{ave}}=\underset{i=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{S}^i/B_t---\left(8\right)$

相应的FEC开销为：

H_ave＝N-K＝(K/R_ave)-K    (9)

采用此FEC开销，为了使残余分组丢失率等于目标值，FEC解码之前的原始分组丢失率应小于值P_ave。如果采用RS(N，K)编码，则P_ave满足：

$P_t=1-\underset{d=0}{\overset{H_{\mathrm{ave}}}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}K+H_{\mathrm{ave}}\\ i\end{array}\right){\left(p_{\mathrm{ave}}\right)}^d{(1-P_{\mathrm{ave}})}^{K+H_{\mathrm{ave}}-d}---\left(10\right)$

在本发明中，基于网络拓扑结构和多个接收器的信道条件在R_max与R_min之间动态地改变FEC码率，以有效地利用带宽并获得多个视频流的统计复用增益。R_max和R_min分别由公式(3)和(5)确定。假设有K个源分组的块，传输的奇偶分组的数量H在H_min和H_max之间变化。H_max由公式(6)确定，H_min满足公式(2)。

如果用于接收器i的原始分组丢失率小于或等于由网络/系统管理员确定的阈值P_e(γ₁)以保证传输可靠性，即P_i≤P_e(γ₁)，则接收器是确保服务型接收器。根据本发明的自适应FEC方法确保在FEC解码之后的残余分组丢失率小于或等于目标值P_t。这是通过设置最大FEC码率R_max并且以高优先级传输至少H_min个奇偶分组实现的。

如果视频流j的接收器i的原始分组丢失率处于P_e(γ₁)和P_ave之间，即P_e(γ₁)＜P_i ^j≤P_ave，将接收器分类为伪确保服务类型接收器。P_ave是在以可用总带宽相同地保护全部J个流时(即对全部流采用相同FEC码率)使残余分组丢失率等于目标值P_t的原始分组丢失率。本发明的方法基于流j的全部当前伪确保服务型接收器中最差情况的接收器调节FEC码率并以高优先级或中等优先级传输这些服务器要求的FEC开销。这保证当前服务区域中的全部伪确保服务型接收器的残余分组丢失率小于或等于目标值P_t。估计接收器的原始分组丢失率并从接收器向媒体服务器定期发送，从而媒体服务器可以确定FEC码率。在FEC调节之间的间隔过程中分组丢失率可能具有在目标值P_t之上的突发值。因此这些服务器的传输可靠性得到伪确保。

如果视频流j的接收器i的原始分组丢失率处于的范围，将接收器分类为尽力而为服务型用户。是在将全部剩余带宽用来保护流J时在FEC解码之后使残余分组丢失率小于或等于目标值P_t的原始分组丢失率。该方法基于全部尽力而为服务型接收器中最差情况的接收器调节FEC码率。但是，以低优先级传输这些尽力而为服务型接收器所需额外FEC开销。如果无线网络中具有足够的资源，由接入点/基站传输额外FEC开销。这些尽力而为服务型接收器的传输可靠性得到满足，即FEC解码后的残余分组丢失率小于或等于目标值P_t。否则，接入点/基站丢弃额外的奇偶分组，在这种情况下，这些尽力而为服务型接收器的传输可靠性不能得到满足。从这种意义而言，是以尽力而为方式对这些接收器进行服务。

本发明的方法在不危害确保服务型和伪确保服务型接收器的可靠性的前提下导致了更有效的网络资源利用并获得了统计复用增益。例如，组播流1、2、...j-1的接收器都具有良好信道条件。用于组播流1、2、...j-1的总带宽(信息和FEC开销)小于无线信道的总带宽。用于流j的某些接收器具有差信道条件。剩余可用带宽可用于额外FEC开销(奇偶分组)以满足这些流j接收器的要求。

如果视频流j的接收器i的原始分组丢失率大于即将接收器分类为无服务型接收器。此类型接收器具有非常差的信道条件。确保此类型的某个分组丢失率将会消耗很多系统资源。相反，媒体服务器忽略它们，即不基于这些接收器调节FEC码率。

调节FEC码率或FEC开销量的方法包括：(1)在每个接收器运转的信道估计方法；(2)从多个服务器向媒体服务器发送信道条件反馈的协议；(3)在视频组播服务器运转的FEC调节方法，其基于多个服务器的信道条件动态地调节FEC码率和优先级。

每个接收器估计FEC解码之前的原始分组丢失率并将此反馈发送至媒体服务器。FEC解码之前的原始分组丢失率指示信道条件。可以采用实时传输控制协议RTCP(Real-Time Transport Control Protocol)或其他等同手段发送所述反馈。在本发明中，通过最近测量结果的移动、加权平均值估计原始分组丢失率。假设接收器i接收组播视频流j，接收器i每T时间周期(T为配置参数)估计并报告原始分组丢失率。在时间t，接收流j的接收器i的报告的原始分组丢失率为P_i ^j，接收流j的接收器i的平均原始分组丢失率为：

aveP_i ^j(t)＝βP_i ^j(t)+(1-β)aveP_i ^j(t-1)    (11)

其中β≤1，为设计参数。将该报告发送至媒体服务器。

在每个时间周期T中，媒体服务器可以从视频流j的一个或多个接收器接收信道反馈。在从具有原始分组丢失率P_i ^j(t)的用于流j的接收器i接收到时间t的报告后，媒体服务器确定流j所要求的FEC码率R_i ^j(t)，以确保残余分组丢失率小于或等于目标值P_t。所要求的FEC码率和原始分组丢失率取决于FEC编码。对于(N，K)RS编码，码率R_i ^j＝K/N可以如下确定：

$P_t=1-\underset{d=0}{\overset{N-K}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}N\\ d\end{array}\right){\left(p_i^j\left(t\right)\right)}^d{(1-P_i^j\left(t\right))}^{N-d}---\left(12\right)$

其中K或N已知。

所述调节算法如下运转：

1.如果(即)，忽略接收器i，即接收器i处于服务区域之外，是“无服务”接收器。媒体/组播服务器不试图服务此服务器，并且不基于其信道条件调节FEC码率。

2.如果(即)，设置其中是用于流j的当前FEC码率。将用于流j的FEC码率改变为在这种情况下，接收器是需要得到服务的接收器。其要么是“确保服务型”接收器，要么是“伪确保服务型”接收器，要么是“尽力而为服务型”接收器。为了服务此接收器(即试图增加足够FEC，从而此接收器在FEC解码之后的残余分组丢失率小于或等于阈值P_t)，媒体/组播服务器需要确保当前FEC编码足够强，即编码小于或等于否则，此接收器在FEC解码之后的残余分组丢失率将大于阈值P_t。如果在当前FEC码率变为：

$R_0^j=R_i^j\left(t\right).---\left(12a\right)$

3.如果(i.e.)，等待到时间段t的结尾。

在这种情况下，当前使用的FEC编码足以保证此接收器在FEC解码之后的残余分组丢失率小于或等于阈值P_t。不必立即改变FEC码率。可以等待来自其他接收器的信道报告。在时间周期T的结尾，假设在时间周期T过程中从流j接收到l个报告。获得这些报告的原始分组丢失率的最大值：

$P_0^j=\max \{P_1^j,P_2^j,...P_I^j\}\&ForAll;P_i^j<P_{\max }^j---\left(13\right)$

接下来，获得FEC码率以确保残余分组丢失率等于用于具有原始分组丢失率的用户的目标值P_t。如果采用(N，K)RS编码，可以通过下述公式获得

$P_t=1-\underset{d=0}{\overset{N-K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\begin{array}{c}N\\ d\end{array}\right){\left(p_0^j\left(t\right)\right)}^d{(1-P_0^j\left(t\right))}^{N-d}---\left(14\right)$

其中K或N已知。设

$R_0^j=\min (R_{\max },R_0^j)---\left(14a\right)$

并将用于流j的FEC码率改变为

对于某些FEC编码，可用码率是离散的，即并不是每个码率都可用。如果上述确定的FEC码率不可用，将设置为小于的当前值的下一可用码率。例如，上述确定的码率是9/12而下一可用码率(小于9/12)是K/N＝4/6＜9/12。设并将用于流j的码率改变为4/6。

一旦如上确定或调节码率将码率用于组播服务器的FEC产生。假设K个源分组的块，可以通过获得所需FEC开销。在具有不同优先级的四个组播组G0、G1、G2和G3中传输FEC奇偶分组。

·在具有最高优先级的组播组G0中传输K个源分组。

·如果H_min≤H≤H_ave，在具有最高优先级(与源分组相同的优先级)的组播组G1中传输第一H₁＝H_min个奇偶分组。在具有高优先级或中等优先级的组播组G2中传输剩下的H₂＝H-H_min个奇偶分组。

·如果H≥H_ave，在具有最高优先级的组播组G1中传输第一H₁＝H_min个奇偶分组。在具有高优先级或中等优先级的组播组G2中传输下面的H₂＝H_ave-H_min个奇偶分组。在具有低优先级的组播组G3中传输剩下的H₃＝H₀-H_ave个奇偶分组。

图4A是采用根据本发明的自适应前向纠错编码方法的组播服务器的协议结构的示意图。媒体服务器包括源(例如视频)编码器405、分组化模块(packetization module)410、FEC处理/编码模块415、自适应FEC控制单元420以及UDP/IP通信单元425和接口430。自适应FEC控制单元420从多个接收器接收反馈。其利用上述方法确定源(例如视频)以及奇偶分组的FEC码率和传输优先级。自适应FEC控制单元指示FEC处理/编码模块415执行FEC编码并指示UDP/IP通信单元425以所需优先级传输源分组和奇偶分组。

图4B是采用根据本发明的自适应前向纠错编码方法的接收器的协议结构的示意图。所述接收器包括源(例如视频)解码器435、解分组化模块440、FEC处理/解码模块445、信道估计和反馈模块450以及UDP/IP通信单元455和接口460。信道估计和反馈模块450利用上述方法估计原始分组丢失率(表示信道条件)并将结果通过UDP/IP通信单元455和接口460定期地发送至媒体服务器。

图5是根据本发明的自适应前向纠错编码的示意图。源分组设置为K行L列。包含前向纠错分组的分组总数设置为N行L列。采用FEC码率产生FEC分组并将其分为几个组播组，例如，对于H个组播组的组播组H1、H2和H3。总是以高优先级传输组播组H1中的分组。只有需要恢复源分组时才传输其他组播组中的FEC分组。

图6是在组播服务器上实施的根据本发明的方法的示例性实施方式的流程图。本申请中，接收器是能够信息/数据/内容的任何设备，例如包括收发器、计算机、便携式电脑、PDA、双模智能手机等。在步骤605，进行检查以确定组播/数据/媒体服务器是否从接收器接收到反馈。如果组播服务器从接收器接收到反馈，则在步骤610进行检查以确定是否对发出反馈的接收器进行服务。即，检查接收器的分组丢失率是否小于或等于P_max，其中P_max满足公式7，该检查利用公式4-6来确定。在步骤615，进行检查以确定FEC奇偶编码(FEC码率)在信道条件反馈的条件下是否足以恢复该接收器的分组丢失。如果FEC码率不足以恢复分组丢失，则在步骤620利用公式12a对FEC码率进行调节。如果FEC码率足以恢复分组丢失，则不执行步骤620，不对FEC码率进行调节。在步骤625进行检查以判断是否超时(时间周期届满)。如果超时，则基于从多个接收器接收到的反馈对FEC码率进行调节并在步骤630重置FEC调节计时器。可以基于公式13、14和14a对FEC码率进行调节。即，可以在步骤620或630或两个步骤一起调节FEC码率。如果不超时，则不执行步骤630，此次不对FEC码率进行调节。在步骤635，利用包括已进行的任何调节的FEC码率有源分组产生H个FEC分组。将源分组和FEC奇偶分组放入具有不同优先级的不同组播组中并相应地传输。所述传输可以包括交错播送(staggercasting)并还可以包括交织(interleaving)。源分组在多播组G0中，并在步骤640以最高优先级传输。H_min个FEC分组在多播组G1中，并在步骤645以高优先级传输。H_min由公式1和2确定。在步骤650，进行检查以判断H是否小于或等于H_ave，其中H_ave由公式8和9确定。如果H小于H_ave，在步骤655在组播组G2中以高或中等优先级传输H-H_min个FEC分组。如果H不小于H_ave，则不执行步骤655，在组播组G2中以高或中等优先级传输H_ave-H_min个FEC分组并在组播组G3中以低优先级传输H-H_ave个FEC分组。流程然后在步骤605继续。如果在步骤610判断不对此接收器提供服务，则流程在步骤625继续。如果在步骤605判断未从特定接收器收到反馈，则流程在步骤625继续。

图7是在接入点/基站上实施的根据本发明的示例性实施方式的流程图。在步骤705，判断是否在接入点收到分组(源或FEC)。如果接收到分组，则在步骤710将分组基于其优先级转发至目的组播组。如果未接收到分组，则流程循环一直持续地在步骤705检查是否有新分组到达。

图8是在接收器上实施的根据本发明的示例性实施方式的流程图。在步骤805进行检查以判断是否接收到分组(源或FEC)。如果接收到分组，则在步骤810处理。在步骤815，接收器利用公式(11)估计分组丢失率和信道条件。然后在步骤825接收器利用接收到的FEC奇偶分组恢复任何丢失的源分组。在步骤825进行检查以判断是否超时。如果超时，则在步骤830将关于分组丢失率和信道条件的反馈通过接入点发送至组播服务器。如果未超时，则流程在步骤805继续进行。如果在步骤805未接收到分组，则流程在步骤825继续进行。

无线链路由于时变多径衰落(time-variant multipath fading)、干扰、遮蔽和移动性等而展现出突发分组丢失特性。解决突发差错信道的有效方法是以将突发信道(bursty channel)变换为具有独立差错的信道的方式将编码数据分组交织。因此，为独立差错(或短突发)设计的FEC编码可以用于纠正错误分组。图9是根据本发明的自适应前向纠错方法的另一个实施方式的框图，其中采用了交织。示出了具有FEC编码的分组交织机制。在使用跨分组FEC编码之前用交织器对源分组进行重排序。在接收器，解交织器以相同的矩形阵列格式存储数据分组并且进行FEC解码。本发明可以用于确定FEC码率以及此设置的源分组和奇偶分组的优先级。

在另外一个实施方式中，组播服务器以时移传输原始信息分组流和附加奇偶分组流，即交错播送时间分集的信息流和奇偶校验流。在如上所述确定的组播组中发出奇偶分组之前，在组播服务器的缓存器中延迟所述奇偶分组时间周期T′。如果信息分组由于遮蔽或切换而突发丢失，相应的奇偶分组将有可能不丢失并用于恢复丢失的信息分组。

在另外一个实施方式中，组播服务器延迟奇偶分组的产生和传输。在时间周期T”传输源信息分组之后，组播服务器将这些信息分组缓冲时间t并等待来自接收器的信道条件和这些信息分组的分组丢失率的反馈。基于这些信息分组的分组丢失率，组播服务器确定FEC码率和奇偶分组的优先级并根据本发明的方法在不同的组播分组中传输奇偶分组。通过延迟奇偶分组的产生并利用信息分组的分组丢失率返回来产生保护源分组的奇偶分组，服务器可以精确地估计要求的FEC码率。

可以理解，本发明的原理可以用各种形式的硬件(例如ASIC芯片)、软件、固件、专用处理器及其组合实现，例如在服务器、中间设备(例如无线接入点或无线路由器)或移动设备中。优选地，本发明的原理可以作为硬件和软件的组合来实现。并且，软件可以作为嵌入在程序存储单元上地应用程序来实现。应用程序可以被上载至包含任何适当体系结构的机器并由其执行。优选地，该机器在具有硬件的计算机平台上执行，所述计算机平台例如具有一个或多个中央处理器(CPU)、随机访问存储器(RAM)、输入输出(I/O)接口。计算机平台还可以包括操作系统和微指令代码。本文所述各种处理和功能可以是能够由CPU处理的微指令代码的一部分或应用程序的一部分，或者它们的组合。另外，各种外围设备可以连接至计算机平台，例如附加数据存储单元和打印单元。

可以进一步理解的是，因为附图中描述的某些系统构成部件和方法优选由软件实现，系统元件(或者处理步骤)之间的实际连接根据本发明的原理被编程的方式可能存在不同之处。基于本发明的原理，本领域普通技术人员可以设想到用来实现本发明原理的上述和其他方式或结构。

Claims (20)

1.一种自适应前向纠错方法，包括：

通过无线信道从第一设备接收信道条件反馈；

基于所接收到的信道条件反馈来判断是否能服务所述第一设备；

在判断能服务所述第一设备之后，响应于所接收到的信道条件反馈判断当前使用的前向纠错码率是否足以使所述第一设备恢复丢失的数据；

在判断所述当前使用的前向纠错码率不足以使所述第一设备恢复丢失的数据时，调节所述当前使用的前向纠错码率；

利用所述经调节的前向纠错码率由源数据产生前向纠错分组；以及

将所述源数据和所述前向纠错分组在具有不同优先级的多个组播中传输至第二设备。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在利用所述经调节的前向纠错码率由源数据产生前向纠错分组之前，所述方法还包括：

在判断所述当前使用的前向纠错码率足以使所述第一设备恢复丢失的数据时等待一时间周期；

在该时间周期届满时，响应于从一等级中的多个设备接收到反馈而调节所述当前使用的前向纠错码率；以及

基于从所述等级的多个设备的接收到的所述反馈确定物理层操作模式和用于所述源数据的分组大小；

其中，在将所述源数据和所述前向纠错分组在具有不同优先级的多个组播中传输至第二设备之前，所述方法还包括：

响应于所述确定的分组大小分组化所述源数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其中响应于所述物理层操作模式执行所述传输动作。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述基于所接收到的信道条件反馈来判断是否能服务所述第一设备包括：判断分组丢失率是小于或等于一阈值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述调节所述当前使用的前向纠错码率的动作是基于所述第一设备纠正其分组丢失所要求的前向纠错码率来执行的。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述响应于从所述多个设备接收到反馈而调节所述当前使用的前向纠错码率的动作是基于所述等级的所述多个设备纠正其分组丢失所要求的前向纠错码率来执行的。

7.根据权利要求1所述的方法，其中基于可用带宽传输所述组播组。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述组播组交错播送。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述源数据和所述前向纠错分组相交织。

10.根据权利要求1所述的方法，其中在一服务器中执行所述方法。

11.一种自适应前向纠错装置，包括：

通过无线信道从第一设备接收信道条件反馈的装置；

基于所接收到的信道条件反馈来判断是否能服务所述第一设备的装置；

在判断能服务所述第一设备之后响应于所接收到的信道条件反馈判断当前使用的前向纠错码率是否足以使所述第一设备恢复丢失的数据的装置；

在判断所述当前使用的前向纠错码率不足以使所述第一设备恢复丢失的数据时调节所述当前使用的前向纠错码率的第一调节装置；和

利用所述经调节的前向纠错码率由源数据产生前向纠错分组的装置；以及

将所述源数据和所述前向纠错分组在具有不同优先级的多个组播中传输至第二设备的装置。

12.根据权利要求11所述的装置，还包括：

在判断所述当前使用的前向纠错码率足以使所述第一设备恢复丢失的数据时等待一时间周期的装置；

在该时间周期届满时，响应于从一等级中的多个设备接收到反馈而调节所述当前使用的前向纠错码率的第二调节装置；

基于从所述等级的多个设备的接收到的所述反馈确定物理层操作模式和用于所述源数据的分组大小的装置；以及

响应于所述确定的分组大小分组化所述源数据的装置。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述传输装置响应于所述物理层操作模式执行。

14.根据权利要求12所述的装置，其中所述基于所接收到的信道条件反馈来判断是否能服务所述第一设备的装置判断分组丢失率是小于或等于一阈值。

15.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第一调节装置基于所述第一设备纠正其分组丢失所要求的前向纠错码率来调节所述当前使用的前向纠错码率。

16.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第二调节装置基于所述等级的所述多个设备纠正其分组丢失所要求的前向纠错码率来调节所述当前使用的前向纠错码率。

17.根据权利要求11所述的装置，其中基于可用带宽传输所述组播组。

18.根据权利要求11所述的装置，其中所述组播组交错播送。

19.根据权利要求11所述的装置，其中所述源数据和所述前向纠错分组相交织。

20.根据权利要求11所述的装置，其中所述装置为服务器。